ROLLA, Mo. — Komponen elektronik yang boleh dipanjangkan, dipintal, atau diregangkan—dikenali sebagai elektronik "regangan".—tidak lama lagi boleh kuasa segala-galanya daripada alat boleh pakai perubatan ke dalam-sistem kenderaan. Dan penyelidik di Universiti Sains dan Teknologi Missouri merintis pendekatan pembuatan yang akhirnya boleh membawa teknologi ini ke arus perdana.

Menulis dalam jurnal edisi Januari 2017 Mesin mikro, Missouri S&Pasukan penyelidik T, diketuai oleh Dr. Heng Pan, penolong profesor kejuruteraan mekanikal dan aeroangkasa, menilai keadaan semasa elektronik boleh renggang dan mencadangkan penyelesaian kepada salah satu cabaran paling berterusan dalam bidang: ketidakpadanan asas antara permukaan fleksibel dan konduktor elektronik tegar.

Yang Tegar-Cabaran Flex

Di tengah-tengah elektronik boleh renggang adalah substrat—biasanya elastomer, polimer dengan keanjalan tinggi yang boleh dibengkokkan, diregangkan, diikat dan dipintal berulang kali dengan sedikit impak pada prestasinya. Walau bagaimanapun, konduktor elektronik yang mesti dibina pada atau dibenamkan ke dalam permukaan fleksibel ini selalunya rapuh dan tegar..

"Reka bentuk unik dan mekanik regangan telah dicadangkan untuk menyelaraskan ketidakpadanan dan menyepadukan bahan dengan sifat yang berbeza secara meluas sebagai satu sistem yang unik, " tulis pasukan penyelidik.

Pencetakan Aerosol Terus: Pendekatan Baru

Untuk mengatasi tegar ini-penghalang fleksibel, Pan dan rakan-rakannya beralih kepada pembuatan bahan tambahan—satu proses yang membina tiga-objek dimensi lapisan demi lapisan, serupa dengan pencetakan 3D tetapi menggunakan logam, seramik atau bahan berfungsi lain.

Di Missouri S&T, mereka sedang menguji pendekatan khusus Pan memanggil "percetakan aerosol langsung". Proses ini melibatkan penyemburan bahan konduktif dan mengintegrasikannya dengan substrat yang boleh diregangkan.

"Dengan perkembangan pembuatan aditif, teknik penulisan langsung muncul sebagai alternatif kepada kaedah corak tolak tradisional, " jelas para penyelidik.. Pendekatan tolak tradisional termasuk fotolitografi, yang biasanya digunakan untuk mengeluarkan semikonduktor.

Pan dan pasukannya percaya pembuatan aditif menawarkan laluan yang lebih menjimatkan untuk mencipta peranti baharu ini. "Percetakan langsung, sebagai kaedah pembuatan aditif, akan memenuhi keperluan tersebut dan menawarkan kos rendah dan kelajuan tinggi dalam kedua-dua prototaip dan pembuatan," tulis mereka. "Ia mungkin penyelesaian untuk kos-fabrikasi elektronik boleh renggang yang berkesan dan boleh skala".

Prototaip Yang Melekat

Pasukan itu telah mencipta prototaip berfungsi peranti elektronik boleh renggang yang boleh melekat pada muka. "Faedah terbesar elektronik ini ialah ia boleh dipakai sepenuhnya, dan ia boleh membentuk sepenuhnya kepada apa-apa jenis gerakan," kata Pan. R&D Majalah. "Ia boleh dipasang pada muka, contohnya, dan boleh mengesan sebarang gerakan kecil dari muka anda".

Aplikasi berpotensi melangkaui penderia muka. Konduktor boleh renggang ini suatu harinanti boleh menggantikan papan litar tegar dan rapuh yang menggerakkan peranti elektronik masa kini. Ia boleh digunakan sebagai penderia boleh pakai yang melekat pada kulit untuk memantau kadar denyutan jantung atau aktiviti otak, sebagai penderia yang tertanam dalam pakaian, atau malah sebagai panel solarnipis yang boleh ditampal pada permukaan melengkung..

"Kami melihat banyak faedah. Kami fikir ini boleh menjadi masa depan pembangunan elektronik," kata Pan.

Cabaran Di Hadapan

Walaupun dijanjikan, halangan yang ketara kekal sebelum elektronik boleh renggang diterima pakai secara meluas. Semua bahan yang diperlukan untuk setiap peranti mesti boleh dicetak, memerlukan pembangunan dakwat dan bahan boleh cetak dengan semua sifat yang diperlukan untuk setiap fungsi elektronik.

"Terdapat juga cabaran penyepaduan, seperti keperluan suhu yang berbeza-beza antara bahan yang berbeza, " kata Pan. Salah satu tumpuan semasa terbesar pasukan ialah membangunkan yang berkesan, panjang-bateri boleh renggang yang tahan lama. "Peranti tenaga adalah komponen yang sangat kritikal agar ini menjadi realistik, " kata Pan. "Kami sedang berusaha keras pada bateri".

Para penyelidik juga menekankan keperluan untuk memastikan bahawa elektronik yang boleh diregangkan dan permukaan mudah dibentuk yang dibina di atasnya berfungsi dan berumur dengan baik bersama-sama..

Masa Depan yang Fleksibel

Walaupun menghadapi cabaran ini, Pan kekal optimistik. "Pengilangan bahan tambahan mempunyai faedah yang ia boleh menukar dengan mudah dari satu bahan ke bahan lain dan mengintegrasikan semua bahan yang berbeza bersama-sama dalam satu cetakan," katanya. "Kami percaya teknik aditif mempunyai kelebihan yang sangat kuat dalam penciptaan elektronik".

Setelah disempurnakan, teknologi itu perlu ditingkatkan untuk pengeluaran komersial—proses yang percetakan 3D secara semula jadi menyelaraskan. Akhirnya, pasukan membayangkan peranti yang bukan sahaja rendah-kos untuk mencipta tetapi juga boleh terbiodegradasi.

"Terdapat banyak potensi untuk ini berkaitan dengan manusia-interaksi komputer," kata Pan.

Penyelidikan itu diterbitkan dalam Mesin mikro (2017, 8(1), 7) di bawah tajuk "Bahan, Mekanik, dan Teknik Corak untuk Elastomer-Konduktor Boleh Renggang Berasaskan".